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冶金工业类论文 年产10万吨电解铝的铝电解车间设计

2018-11-26 11:04:45来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要:电解槽是铝电解生产过程中很关键的设备,设计在参考了大量文献材料与场地亲身观察的基础之上,对槽的结构进行了相关设计与计算其中包括物料平衡、电压平衡、能量平衡,并得出了相应数据汇总与表格中,为了保证生产的清洁,最后对环境保护和安全生产做了相应的论述,同时也介绍了铝的物理化学性质以及铝工艺发展概况、厂址的选择和有关主要经济技术指标,当中选择了现行铝电解工艺中相对成熟的基本工艺参数,电流强度选用比较常见的240KA,槽型选用中间下料四点下料预焙槽。电解槽的电流效率为94%。

  关键词:铝、电解槽、能量平衡、设计

  前 言

  铝电解过程会消耗很多电能,电耗占将近一半以上铝的本钱,我们国家消费一吨原铝会耗费直流电13000kW·h/t-Al上下,为响应国家新政策,降低能耗、减少排放、减少污染已成为我们的新目标,故需要寻找新的生产铝的方法以求达标,本次主题围绕节能减排、降低能耗、减少污染,重点完善目前电解铝方面的能耗高、污染大、排放欠缺等方面不足进行综合阐述,明白温度低环保绿色铝电解将是电解铝行业的开展趋向。从以前到现在,我国的铝行业都在不断地寻求可以增加单槽铝产量,节约能源,改善劳动条件。不升高消费本钱的各种路径与事先世界铝工业先进程度比拟,我国铝电解技术在很多方面依然存在较大差距,更高技术,更新颖的电解槽的进一步开发受到了很多专家的关注。槽的型号在逐渐扩大,我们国家的电解铝行业在近几年得到了飞速上升,大型的预焙槽技术,已根本取代高污染的自焙槽。为了完成树立资源向节约型、环境向友好型发展的企业目标,急切的需进一步降低电解槽的能耗。本次选题参考了当下的要求,综合分析了很多节能电解槽相关技术,查阅资料获取了铝电解技术的最新发展状况,了解了我国铝电解工业近期以来的重大技术研究结果,特别是近几年的铝电解节能技术,力求将理论和实践相结合,并就当前我国铝行业发展状况展望未来各方面技术的发展方向,铝槽因为它高效、节约、对环境伤害小、经济的特点,一直是铝电解行业追求的目标。

  1. 铝工业发展概况

  1.1 铝的性质与运用

  1.1.1 铝的物理化学性质

  在地壳中,铝的含量次于第二位居第三,约为百分之八,在众多的金属元素里铝排在第一位。铝的颜色为白色,在元素表中,铝位于第3周期,用元素符号Al来表示[2]。铝比较活跃,能与较多的化学物质发生各种反应。在空气中,铝很容易和O2发生反应,并在外面反应成很密的氧化薄膜(Al2O3)。此外,铝还能与酸(易与H2SO4浓发生反应)、碱、非金属、氧化物、水等发生化学反应。

  铝具有以下主要特性:

  (1)铝的密度小、(2)铝的熔点低、(3)铝的沸点高、(4)铝的电阻率小、(5)铝不具有磁性、(6)铝具有无毒性、 (7)铝的传热优良、(8)铝的加工性能好、(9)铝具有防氧化性和防腐蚀性、(10)铝的循坏使用率高

  1.1.2 铝的运用

  铝应用在生活的很多地方,主要表现在以下几个方面:

  质量轻、性能好、容易加工的轻型结构材料

  用于房屋建筑工业材料

  质量轻、导电性好的电气工业材料

  有氧化铝薄膜的耐腐蚀材料

  无毒的食品包装材料

  1.2 炼铝发展简要概述

  金属铝在地壳中含量及其丰富,达到8%,是所有金属中含量最高的。而且铝具有导电性好、加工性能优越、密度小等精良的性能,因此铝在很多的领域都得到广泛的应用。而金属铝的提取最早可追溯到1807年,当时英国科学家戴维(H.Davy)力图通过熔融的氧化铝中提炼金属铝,但最终未能成功。直到1825年的时候,人类才第一次得到铝,是由专家奥斯特使用钾汞齐复原氯化铝(无水)而获取,但是量只有少数mg,未能实现大规模的实践生产。在1827年的时候,沃勒用钾还原氯化铝(无水)而获得微小部分的铝,并在1845年时,把AlCl3加热成气体在K的外面时,在金属钾的表面得到一部分铝。在1854年,法国科学家戴维尔使用钠还原配合盐,制得金属铝。同年,本森通过电解得到金属铝。到1855年的时候,铝的获取在巴黎得到工业化的生产,但是仅能产出少量的铝。在1865年的时候,俄国人别开托夫(Bekertob)提出使用镁还原冰晶石来制取铝,这种方法在后来被德国Gmelingen铝镁工厂采纳。于1867年发电机的发明,开启了电解法炼铝新篇。在1883年,布拉雷作出了冰晶石—氧化铝的计划,但并未获得准许,成为自己的。于1886年时,美国专家霍尔和法国专家埃鲁一起申请冰晶石—氧化铝电解法制铝,并获取专利成功。这就是霍尔—埃鲁法,现今铝电解工业广泛使用的炼铝法。

  1.3 我国铝工业的发展

  在最近的阶段中,铝的产量上升十分猛烈,到了20世纪中后期,铝位居世界有色金属产量第一位,这个时候的铝逐步广泛,不单单为有钱人所特有,它的用途慢慢普及到平民百姓,大可以到国家、外空、人力等,小可以到生活中锅碗瓢盆等日常生活必需。它的衍生物同样如此,不同的衍生物在医院、有机合成、石油炼制等各种领域有着极其重要的作用。铝及其合金的优势囊括了很多方面,以致于人们一致认为铝及铝合金是最为经济实用的,在70年代以前,我国电解铝工业引进前苏联60KA自焙槽,电流效率只有85~87%,吨铝直流电耗更是≥15000KA.h,阳极净耗540Kg/t;而我国自主开发的135KA的预焙槽,电流效率只有87%,吨铝电耗达到14500KA.h,阳极净耗550Kg/t;在80年代刚开始的时候,白云铝厂从日本运来了较小型号的槽,电流效率也只有87%,吨铝电耗也只降到14000KA.h,阳极净耗460Kg/t。目前,我国大型的槽,电流效率只有91~94%,吨铝电耗在13305~13605KW.h。在减排方面[6-8],自改革开放以来,我过取得了质的飞跃,有害气体氟的数量,从原21~26Kg/t铝降到现在的1Kg/t铝以下;在原料的中和能耗方面,在2001年时,是1154.76Kg(标煤),这一指标,在2008年时,已经降到了816.03Kg(标煤)

  1.4 国际铝工业的发展

  在美国通过了冰晶石熔盐电解铝应用权力准许的氧化铝,在19世纪末80年代以前,槽电流强度由刚开始比较小的型号上升一百多,利用的电由吨铝22010KW.h下降到15010KW.h,电流效率则从70到80之间已经慢慢提升到85到95之间。在80年代中期,欧美180KA预焙槽,效率在百分之九十一点五到四之间,阳极消耗414.5Kg/t,一吨铝的电能消耗为13300KW.h;欧美280KA预焙槽,为百分之九十三,阳极净消耗410kg / T.吨铝直流电耗为13000KW.h。南非铝业希尔德铝厂使用310KA的预焙槽,产能为年产50万吨,吨铝直流电耗为13300KA.h,是95.5%,和阳极净耗415kg / T.阿尔玛铝厂,电解槽电流强度320~325KA,吨铝直流电耗为128010KW.h,效率在百分之九十四点六以上。到了后面,预焙阳极电解槽的规模逐渐大型化,更新越来越快,有些国家铝业则为400KA的槽系列,它的指标为:槽每天的产量为3吨,电流效率为百分之九十四,吨铝电耗13300KW.h,可减少三分之一的污染物排放。而被公认为是世界上最先进的法国彼斯涅AP系列电解技术,而强度为290KA以上的电解槽,效率达到了百分之九十三点五,一吨铝的电能消耗为13750KW.h;电流强度为330KA的电解槽,其电流效率达到了惊人的百分之九十五点九,一吨铝的电能消耗只有13000KW.h;强度达到400KA的电解槽,电流效率达到了很高的百分之九十五点五,一吨铝电能消耗则13490 KW.h;较大容量(500KA)电解槽,其电流效率为百分之九十五点八,一吨铝的电能消耗耗为13390 KW.h。由上述可以得出,国外电解槽能耗控制水平很高,污染物排放很低。一吨铝的电能消耗在13000KW.h上下摆动,电流效率更是提高到了百分之九十六以上。

  就目前看来,我国在很多技术革新上面与国外同样存在一些差距。譬如在一吨铝电能消耗的方面,国外最先进水平直流电耗在13000KW.h,而我国在13500KW.h左右,相差了500KW.h;在电流效率方面,外国其他地方电流效率已经达到了96以上的效率,而我国还在94%左右,与国外先进水平相差了2~4个百分点;因此,我国应加大科研的强度,政府部门、铝电解企业、相关研究部门应给与相应的重视,改善我国铝电解工业技术水平现状。

  1.5 对我国铝工业发展前景的认识

  我国的很多技术层面与外国甚至世界相比还有一定的差距,我国的铝工业在各方面比如资源配置、产品竞争创新等各类能力上仍然缺乏。特别是,对铝土矿资源的短缺问题,能源短缺已成为中国越来越突出,和废物排放和环境保护更迫切的问题是。因此,我们需要加强政府的引导和宏观调控,帮助我国铝行业更快更好发展。

  铝行业未来发展的对策

  (1)开发我国海外的资源,充分利用海外优势;

  (2)优化组合铝工业的生产过程,实现节能降耗减排;

  (3)铝工业产业结构需要不断的调整,已逐步提升

  (4)不断开发生产过程中的废物利用和进一步发展再生产业;

  当前我国乃至世界的铝工业发展方向主要体现在以下几个地方[14-15]:

  (1)铝电解工艺的结构更加专业科学化;

  (2)铝电解槽逐渐发展成熟,不断向大型化发展,技术含量不断提升,越来越科技化;

  (3)电解铝各方面的经济指标向着更多的量、优秀的品质、很低的能耗、使用时间长和低污染、低排放的方向不断靠近;

  (4)铝工业都在向附近电力充裕经济、矿资源丰富且稳定可靠的地区移动。

  2. 厂址的选择

  厂址的抉择就是指对建厂地位各方面的正当吧考量。由有关厂的矿企业发展实际状况等各方面的资料,通过自己的实地调研,综合过后,进行充分的讨论,再对所有可能位置进行比较并选择确定最终建厂的位置所在。

  2.1选择原则

  考虑到供应和在产品布局要求工业国家和地区的需求;符合城市规划的要求;尽可能的节省面积的植物,或尽量不占用更少的土地肥沃,耕地,减少资源浪费;对于一个稳定、可靠的原材料和辅助材料来源所需要的企业资源;燃料准备足够稳定,价格稳定;水源、电力充裕;交通方便、经济;对环境污染不大,不阻碍文化、旅游业及等文明建设;对该项目有充足的发展空间好地;逻辑条件、施工难度、建设投资;各方面项目都完成以后,可有有较高的效益,除了上面的要求,还可以结合自身特点考量施工地方的控制条件。例如,修建核电厂场地要求具备比较好的地质条件,环境影响要适应安全,并且水源来源可靠稳定。如大苏打和其他盐类的原料来源靠近,运输比较便利,场地残留适宜。铁路和公路的选线,必须根据交通量的发展前景、地形地质条件、土方量、控制工程规模等发展前景而定。

  2.2 注意事项

  厂址的选择应注意以下事项:资源条件的评价、原料的供给是否可靠、价格是否在接受的范围,燃料及动力供应是否充足、交通运输和通讯条件的合理性、厂址的周边条件、对居民的影响、社会条件、地址所在地的基础问题、土地费用等。如尽量靠近周围有电厂或者变电站建设,宜延伸下游加工产业,并尽量优选采用天然气或者煤制天然气等清洁能源进行生产。

  2.3流程

  厂址选择时不仅仅要考虑选择的条件,更要考虑它的条件选择。第一步,对厂区自身的条件分析综合,并对厂区的选址条件进行了考量,确定厂区地址的所在。

  3.主要技术经济指标

  3.1 电解方案的确定

  对于制铝的方法很多,目前比较常见的有冰晶石-氧化铝熔盐电解法、氯化铝熔盐电解法以及电热法。目前一般使用冰晶石-氧化铝熔盐电解法。

  其中氯化铝熔盐电解法原理:

  置换理论:阴极:3Na++3e=3Na 3Na+AlCl3=Al+3NaCl

  阴极:2Cl--2e=Cl2

  铝离子一次放电理论

  阴极:Al3++3e=Al 阳极:3Cl—-3e=1.5Cl2

  总反应:AlCl3=Al+1.5Cl2

  除了此方法,还有电解法炼铝,因为电池作为电源很贵,经济消耗高。因此不适用于工业。世界各国的科学家也一直在研究许多的炼铝新方法,如:矿石直接炼铝法、高炉炼铝法等,这些新工艺新方法都有待进一步的研究完善和工艺性实验。本次设计我选择比较普遍的冰晶石-氧化铝熔盐电解法。

  3.2 主要技术经济指标的选择

  规范生产的各项指标包括有:电流效率、电解温度、电流密度、阳极电流密度、极距、铝水平、电解质水平、效应系数、电能消耗率、平均电压、氧化铝单耗、阳极炭块单耗、冰晶石单耗、氟化铝单耗、氟化镁单耗、分子比、单槽日产量等。其中其主要技术经济指标包括有:电流效率、分子比、阳极电流密度、电解质和铝液水平、效应系数的大小。这些参数彼此影响又彼此联系。总的来说,在一定时期内尽可能地保持其相对稳定,下面我分别对他们进行选择与论证。

  3.2.1电流效率

  定义:指电解槽的日产原铝量与理论日产原铝量之比,即电流的实际利用率,指有效产生物质的电流与提供的电流和之比,即电流效率=得到产量(M实)/理论产量(M理)[16]。

  表示方法:用η表示,η=(1000000Q/0.3356It)*100%,单位:%

  影响因素:电解质的成分、电解温度、铝水平和电解质水平等。

  本设计选取的具体值:94%

  3.2.2电解质温度

  定义:是指电解质温度而言,取决于槽电压[16]。

  表示方法:用Tb表示,单位:0C

  影响因素:槽电压、电解质成分、电磁场、加料方式;

  本设计选取的具体值:950℃

  3.2.3 极距

  定义:是指阴、阳两级之间的距离[16]。

  影响机制:在电解槽中,提高极距,可以减少铝的损失,提高电流效率,但是极距增大,槽电压也会变大,电耗就会增大,所以一般情况在实际操作上宜在取得高电流效率的情况下,选择尽可能低的极距,以便减少单位铝产量的点的耗费。

  表示方法:DS,单位cm;

  本设计选取的具体值:4.0cm;

  3.2.4电解质成分

  定义:电解质主要是由融化的冰晶石和溶解在其中的氧化铝组成,另外还有小量的氟化钙和氟化镁等添加物[16]。

  本设计成分为:A2lO3 3%,CaF 25%,LiF 0.04%

  3.2.5电解质水平和铝水平

  定义:是指电解质和铝液两层液体在槽内的高度[16]。

  表示方法:He、Hm

  影响因素:电解槽的类型、容量、母线配置、阳极电流密度、下料方式和操作制度以及操作人员的技术水平。

  3.2.6阳极效应系数

  定义:每日分摊到每槽的阳极效应次数[16]。

  表示方法:总阳极效应次数/一天,单位:次/槽*日

  影响因素:氧化铝浓度、极距、槽电压

  本设计选取的具体值:0.08次/槽*日

  3.2.7 阳极电流密度

  定义:指铝电解槽的电流强度与槽上全部阳极炭块面积相加之比。

  表示方法:用IA表示,单位:A/cm2

  本设计选取的具体值:0.76A/cm2

  3.2.8 槽工作电压

  定义:指的是电解槽直流电进入点与出去点之间的电压,即U槽=(U总-U导)/N。

  表示方法:V

  影响因素:电解温度、压力、电解液浓度等

  本设计选取的具体值:2.86059 V

  3.2.9 铝电解生产中的主要技术经济指标的确定

  表3-1 主要技术经济指标

  序号指标名称单位数量备注1电流效率%942电解质温度0C9503极距cm44电解质成分%-5电解质水平和铝水平--6阳极效应系数次/槽*日0.087阳极电流密度A/cm20.768槽工作电压V2.86059 4.电解槽结构设计与计算

  4.1基础计算

  1.电解槽寿命

  目前大型预焙槽的使用时间都在60个月即1800天以上,个别已达到100个月即3000天。目前我们国家的较大的电解槽使用时间基本能高达到1800天以上,可达2500天。本设计槽使用时间为2000天,即2000/365=5.48年。

  总槽数=生产槽数+备用槽数=151+7=158台

  4.槽结构计算

  (1) 阳极尺寸

  阳极尺寸大小一般是按照槽的容量大小选定的,在考虑了很多方面的条件后,本设计阳极尺寸设计为1550mm×660mm×550mm,采用四个钢爪,每个钢爪的面积为0.236m2•个-1。

  (2) 槽膛深度

  槽膛深度一般会考虑铝水平和电解质水平。本设计所采用的槽膛深度为550mm。

  (3) 阳极到槽帮的距离

  阳极到槽帮衬的距离的选择至关重要。太大的话热散失很大,电解槽耗费也高。太小对操作会产生阻碍。本设计240kA电解槽阳极到槽帮的距离为

  大面300mm小面420mm中缝200mm

  (4) 槽结构计算

  电流强度I=240kA ,选取的阳极电流密度为0.76A/cm2

  阳极炭块尺寸设计为1550mm×660mm×550mm。

  a. 阳极断面尺寸

  阳极总面积为:S阳=240000/0.76=315789.47cm2

  故需阳极炭块数:n=315789.47/(155×66)=30.87

  取32块阳极,分两行排列,每行16组炭块。

  阳极实际面积与阳极电流密度校核值为:

  S阳 =32×155×66=327360cm2

  D阳=240000/327360=0.733A/cm2

  b. 槽膛尺寸

  大面300mm小面450mm阳极炭块间距取40mm阳极行间距为200mm

  由此可计算:

  槽膛长度=2×450+16×660+15×40=12060mm

  槽膛宽度=2×300+2×1550+200=3900mm

  槽膛深度=550mm

  5.原材料消耗(按每吨铝计)

  (1) 氧化铝消耗

  a. 根据化学反应式Al2O3→2Al+3/2 O2 计算理论消耗量

  b. 实际消耗量 但在实际的生产过程中会有其他的损失,实际消耗要大于理论值的1.5%~6.0%。根据国内外生产实践,取其值为1930kg/t。

  (2) 氟化盐的消耗

  根据国内外的生产实践可知冰晶石单耗为:5kg/t;氟化铝单耗为25kg/t;氟化镁单耗为:5kg/t;氟化钙单耗为:4kg/t。

  (3) 阳极炭块的消耗

  根据反应方程式: Al2O3+3/2C→2Al+3/2CO2

  计算理论碳耗量:

  44×100027×2=333.33kg/t (4-3)

  由于阳极副反应,实际生产中生成的气体是CO2和CO的混合物,其中CO2约占75%,CO占25%。

  Al2O3+12/7→2Al+9/7CO2+3/7CO

  实际碳消耗量为:

  CC=12/7×1227×2×75.71=28.84kg/h∙槽 (4-4)

  由于实际生产中的损失,阳极炭块的实际消耗量比理论值多18%~20%,根据国内外生产实践,取实际消耗为:420kg/t。

  6. 耐火材料与炭糊

  所选用的耐火材料必须能够保证侧部能够良好散热,底部保温效果好且能够防止电解质和铝液的渗透。本设计采用国际上近几年来所采用的化学防渗技术术,即采用干式防渗料作为防渗层,代替传统的氧化铝层。

  7. 水、电、空气等

  根据国内生产实践,水情况如下表:

  生产用水量生产用水循环水生产排水生活排水二次水重复利用率4642m3/d173m3/d40695m3/d2068m3/d173m3/d90%

  电源作为率电解过程当中的主要能源。如下表

  直流电耗空气用量蒸汽用量重油13200kWh2.07108m3/d31536t/a9200t/a

  4.2 阳极结构

  (1) 铝导杆

  阳极组数经过计算为32组,阳极导杆是32根,则

  阳极导杆规格断面尺寸130mm×130mm×2278mm130mm×130mm

  导杆电流密度为:

  d导杆=240000130×130×32=0.444A/mm2 (4-1)

  (2) 爆炸焊结构

  铝导杆与钢板的联接采用铝钢爆炸焊。铝钢爆炸焊片,其中铝板规格为165×165×12mm3,钢板规格为165×165×40mm3,铝钢接触面积不超过98%,抗拉强度不小于0.8MPa,抗弯强度不小于0.7MPa,耐热不小于350℃。

  (3) 钢爪

  钢爪头直径为160mm,长为280mm。设计所用阳极每组炭块共有四个钢爪,钢爪占有阳极面积为0.236m2/个,钢爪间距为200mm,钢爪上电流密度为2400000/(3.14×802×4×32)=0.093A/mm2。炭块顶部有四个装配爪头的碳孔,其直径为200mm,深为100mm。

  (4) 阳极炭块

  阳极炭块尺寸为:1550mm×660mm×550mmγ

  取残极高度为300mm,已知电流效率为0.94,阳极电流密度为0.76A/cm2,阳极净耗为420kg/t-Al,则换极周期为:

  τ=(H-H残)γ8.052ηDC×1000=(55-30)×1.68.052×0.94×0.733×420×1000 =17.2天 (4-2)

  另外,阳极炭块体的密度为1.6g/cm3,残疾高度为300mm,则可消耗阳极炭块重量为:

  155×66×(55-30)×1.6=409200g=409.20kg (4-3)

  单槽每小时阳极炭块消耗量为31.8kg/(槽·h),则单槽阳极炭块日消耗量:

  31.8×16=508.80kg (4-4)

  设残极长度为1400mm,宽为600mm,则残极高度为:

  H残=155×66×55-14×1.6×32-508.8×17×1000)140×60×1.6×32+14=29.85cm(4-6)

  4.3 阴极结构

  4.3.1 槽壳

  采用摇篮式作为槽壳的结构,因为它是弹性的变形体,摇篮式不会产生应力的过于集中,因为在电解槽的端角位置,所以不会出现断裂的现象。摇篮式的优点显而易见。摇篮的支架我们选用工字钢与厚钢板的结合,规格为360mm。

  4.3.2 内衬及保温绝热结构

  (1) 槽侧部内衬选择

  为了能够更好地形成侧部的槽帮,使电解槽的侧部能够更好地散热,我们需要在在槽的侧部用一层炭块。把炭块和电解槽之间的一点缝隙作为伸缩缝,这样可以更加容易的满足炭块膨胀的一个需要。用底部和侧部炭块来作为人造的伸腿,从而形成侧部的电驴帮。

  (2) 槽底部内衬选择

  侧部因为作为散热型的结构,我们需要在它的上部和底部都要加强升温。在阴极上应用炭块2层耐火砖,并且每层的厚度大概在65mm。在耐火砖的下一层用65mm的干式防渗料。

  (3) 阴极结构参数的选择与计算

  阴极结构可采用“长短型”,也可采用通长阴极炭块。本设计采用通长阴极炭块,设计规格为3250mm×515mm×450mm的阴极炭块。

  取阴极炭块到槽膛端壁的距离为420mm,炭块间的炭糊扎缝为40mm,可计算阴极炭块数量n:12060-40(n-1)-515n=420×2

  解得 n=20

  4.4 母线结构

  在整流之后,直流电会通过铝母线被引入到电解槽上,之所以电解槽上有阴极、阳极、立柱、软母线,是因为槽与槽之间是通过铝母线的串联而得到。槽和槽之间,厂房和厂房之间还会有联络的母线。其中阳极母线是在结构的上部,阴极在槽壳的周围和底部,阳极母线与阴极母线之间有联络母线、立柱母线、软母线,这样就形成了电解槽一个又一个的连接,组成了一个又一个的系列。

  在设计大型的预焙槽时,母线因为是电流的导体,还可以产生磁场,因为母线产生的磁场可以影响到槽内铝液的一个稳定性。这样就会直接的制约设氧化的损失和电流效率的指标。因此,我们在设计过程当中要把磁场更加的平衡好。这样可以明显的防止铝液的一个动荡和流动。并且我们所设计的母线应该占电解槽基本费用的四分之一左右较好。并且确定合理的母线和结构也很重要。

  在我的这个设计当中,选择240kA的预备槽,并且采用大面四点进点的母线配置。

  4.4.1.阳极母线

  本次阳极母线所用的材料为铸造铝母线,它的两端应用软母线和端头来连接,而另一边用阳极母线作为升降。

  (1) 阳极横母线

  设计采用四端进电方式,故母线上电流为I/8。

  取电流密度为0.273A/cm2,则母线截面积为:

  Sm=I/8Dm=240000/80.273=109890.11mm2 (4-7)

  取母线规格为550mm×200mm,取一根,校验母线电流密度为:

  D=I/8S=240000550×200 =0.273 A/cm2 (4-8)

  图4-1 母线配置简图

  (2) 阳极软母线

  取阳极软母线的电流密度为0.26A/cm2,软母线规格为600mm×2mm,软母线的片数为:

  n=I/4Dr∙Sr=240000/40.26×600×2 =192.31片 取192片 (4-9)

  校验电流密度:

  D软=240000/4192×600×2=0.2604A/mm2 (4-10)

  软母线长度一般为1550mm,设计取:1.55m。

  (3) 立柱母线

  根据立柱母线电流密度可计算立柱母线横截面积,取立柱母线电流密度为0.38A/mm2,则立柱母线横截面积为:

  S立柱=240000/40.38=157895mm2 (4-11)

  立柱母线规格取为320mm×480mm时,取一根,则它的电流密度校验值为:

  d立柱=I/4S立柱=240000/4320×480=0.3906A/mm2 (4-12)

  表4-1 阳极母线规格表

  母线类型断面规格面积电流阳极横母线550mm×200mm0.273A/mm2阳极软母线600mm×2mm0.2604A/mm2立柱母线320mm×480mm0.3906A/mm24.4.2.阴极母线

  (1) 阴极软母线

  母线规格为200mm×2mm,取0.40A/mm2,则阴极软母线片数为:

  n=I/N钠D阴软∙S阴软=240000/400.40×200×2=37.5根 取38根 (4-13)

  校验电流密度:

  D阴软=240000/4038×200×2=0.3947A/mm2 (4-14)

  (2) 槽周阴极母线

  配置图可见,电流进去A侧和B侧槽周阴极母线是通过阴极钢棒来进入,然后A侧会通过槽底阴极母线来与B侧阴极母线沟通从而进入到下一个槽子的立柱母线上。如表列出了槽周阴记母线电流的分配。

  表4-2 槽周阴极母线电流配置

  B侧I/163I/163I/16I/16A侧I/8I/16I/16I/16I/16I/8

  取母线规格为:800mm×300mm

  校验电流密度

  A侧:中间槽阴极母线上电流密度为:

  DA中=I/16S阴软=240000/16800×300=0.063A/mm2 (4-15)

  端部槽阴极母线上电流密度为:

  DA端=I/8S阴软=240000/8800×300=0.125 A/mm2 (4-16)

  B侧:端部槽周阴极母线上电流密度为:

  DB端=I/16S阴软=240000/16800×300=0.063 A/mm2 (4-17)

  中部槽周母线上电流密度为:

  DB中=3I/16S阴软=3×240000/16800×300=0.188 A/mm2 (4-18)

  根据上述计算,可列出阴极母线规格于表5-3中:

  表4-3 阴极母线规格表

  名称规格数量电流密度/(A/mm2)阴极软母线200mm×2mm380.40槽

  4.4.3 短路母线

  倘若电解槽停电我们需要短路时,我们就需要在短路过程中将立柱母线与短路母线之间的绝缘板抽出来,然后把立柱母线和电路母线压紧,在操作过程当中保持停电2-5分钟即可。

  5. 物料平衡

  5.1 物料平衡的计算

  1. 铝产量

  以60分钟为计算基础,平均电流强度为240kA,取平均电流密度为94%,计算单槽每天的产量:

  P=0.3356Iηt×1000=0.33562400000.9410-3 (5-1) =75.71kg/(槽·h)

  Al2O3消耗量

  (1)根据化学反应方程式Al2O32Al+3/2O2计算理论消耗量

  (5-2)

  (2)实际消耗量 实际消耗量要大于理论的1.5%—6.0%,取其值为1930kg/t。

  Al2O3理论单耗为:1888.89×75.71×10-3=143kg/(槽·h) (5-3)

  Al2O3实际单耗为:1930×75.71×10-3=146.12kg/(槽·h) (5-4)

  Al2O3损失量为: 146.12-143=3.12kg/(槽·h) (5-5)

  (3)氟化盐的消耗量

  取吨铝冰晶石单耗为5kg/t;氟化铝单耗为25kg/t;氟化镁单耗为5kg/t;氟化钙单耗为4kg/t。

  则:

  冰晶石消耗量为:5×75.71×10-3=0.379kg/(槽·h) (5-6)

  氟化铝消耗量为:25×75.71×10-3=1.893kg/(槽·h) (5-7)

  氟化镁消耗量为:5×75.71×10-3=0.379kg/(槽·h) (5-8)

  氟化钙消耗量为:4×75.71×10-3=0303kg/(槽·h) (5-9)

  (4)阳极炭块的消耗量

  根据反应方程式:Al2O3+3/2C→2Al+3/2CO2 计算理论碳耗量:

  44×100027×2=333.33kg/t (5-10)

  由于阳极副反应,实际产生的气体为一氧化碳和二氧化碳的混合物,各占约25%和75%,由此计算理论实际碳耗量为:

  CC=12/7×1227×2×75.71=28.84kg/槽∙h (5-11)

  生产CO2为:

  9/7×4454×75.71=79.85kg/槽∙h (5-12)

  CO为:

  3/7×28×75.71/54=16.82kg/槽•h (5-13)

  由于机械等原因,阳极炭块的实际消耗量比理论值多18%-20%,根据国内外生产实践,从优化设计的角度考虑,取吨铝实际碳耗为420kg/t。

  C实=420×75.71×10-3=31.80kg/(槽·h) (5-14)

  单槽每小时耗碳量为:31.80kg/(槽·h)

  碳损为:

  C实-CC=31.80-28.84=2.96kg/(槽·h) (5-15)

  产出:

  出铝: 75.71kg/(槽·h)

  CO2: 79.85kg/(槽·h)

  CO: 16.82kg/(槽·h)

  5.2物料平衡列表

  如表5-1所示为物料平衡表:

  表5-1物料平衡表

  收入支出项目/(kg·h-1)/%项目/(kg·h-1)/%氧化铝146.1280.79原铝75.7141.86冰晶石0.3790.21冰晶石0.3790.21氟化铝1.8931.05氟化铝1.8931.04氟化镁0.3790.21氟化镁0..000.21氟化钙0.3030.17氟化钙0.3030.17阳极炭块31.8017.58碳损失量2.961.64CO2生成量79.8544.15CO生成量16.289氧化铝损失3.121.72合计180.87100合计180.87100

  6.电压平衡

  工业电解槽的电能消耗率与电流效率和平均电压两个因素有关,降低平均电压或提高电流效率都能减少电解槽的电能消耗率。

  电解槽的平均电压:

  (6-1)

  6.1 实际分解电压

  我们常说的实际分解电压就是我们的极化电压,即为阳极过电压加上阴极过电压和Al2O3理论分解电压相加的和。取1.15V。阳极过电压取其大小为0.4V。则实际分解电压为1.55V。

  6.2 电解质电压

  电解质电压可根据克鲁鲍夫提出的经验公式计算:

  (6-2)

  式中 : S-阳极的截面积,cm2;

  L-极间距离,cm;

  2(A+B)-阳极周长,cm;

  -电解质的比电阻,,电解质的分子比为2.0~2.3时,取其值为0.53。

  ∆V质=I∙P∙LS+2(A+B)(L+2.5)

  =240000×0.53×4.232×155×66+2×150×2+66×16×4.2+2.5

  =1.55V (6-3)

  6.3 阳极电压降

  6.3.1 阳极大母线电压降

  取大母线平均温度t=66℃,=0.028,α=0.0038,

  由此计算得:

  (6-4)

  前面计算得到阳极导杆50根,每根导杆的电流负荷为:

  I= 24000032=7500A (6-5)

  采用功率法求电压降,设阳极大母线长为:

  I=660×16+40×15=11160mm (6-6)

  式中660为阳极块宽,40为预焙阳极间距。

  大母线长一半为:

  11160÷2=5580mm。

  等断面变电流母线电压降由下式算出:

  V=13IR

  I=2400008=30000A

  R=P×LS=0.035×5580550×200=1.366×10-3欧

  所以

  ∆V母线=13×30000×1.366×103=13.66mV

  6.3.2 阳极软母线电压降

  软母线规格600mm×2mm,长度为1550mm,t=60℃,

  则:

  (6-7)

  ∆V软母=2400004×1550600×2×192×0.0344=13.89mV (6-8)

  6.3.3 阳极立柱母线电压降

  (1) 阳极焊点电压降(软母线与平衡母线焊点电压降、软母线下焊接点电压降及立柱母线与阴极母线焊接点电压降),取15mV。

  (2) 平衡母线电压降,实测取14mV。

  (3) 压接铝板及压接点的电压降8mV。得到阳极立柱母线电压降(包括软母线电压降):

  ∆V立母=13.89+15+14+8=50.89mV

  6.3.4 阳极炭块组电压降

  (1) 阳极导杆电压降 设:铝导杆长度L,横截面积S,每根导杆通入的电流i,铝导杆的电阻系数代入下式:

  ∆V导杆=i×pt×L/S=24000032×0.035×2278130×130=35.38mV (6-9)

  (2) 导杆下部电压降 包括:铝-钢爆炸焊接区电压降10mV,钢爪压降24mV,钢-炭接触压降110mV。

  (3) 卡具电压降11mV。

  (4) 预焙炭块压降 按公式计算。

  式中——炭块电阻系数,400~900℃时,;

  d——炭块平均电流密度d=1/2(新块电流密度+残极电流密度);

  h——炭块的平均导电高度,h=1/2(h1+h2);

  h1——新块有效导电高度,h1=新块高度-1/2炭碗中钢爪高度;

  h2——残极有效导电高度,h2=残极高度-1/2炭碗中钢爪高度;

  h1=550-100/2=500mm,h2=319.9-50=269.9mm,h=500+269.92=384.95mm设残极长为1400mm,宽为600mm,

  则

  d=1/2×(24000032×155×66+24000032×140×160)=1.626 A/cm2 (6-10)

  ∆V实=1.626×55×10-4×38.495=0.3443V=344.3mV (6-11)

  6.4 阴极电压降

  6.4.1 槽底电压降

  铝电解槽的槽底电压降指槽内铝液至阴极钢棒棒头之间的电压降,一般是0.3~0.5V。这包括铝液-阴极炭块、炭块本身、炭块-阴极钢棒以及钢棒本身的电压降。

  由公式可计算:

  (6-13)

  式中 ——电流通过阴极炭块路径的长度,cm;

  ——半石墨质炭块的电阻率,槽底炭块温度为850℃时,;

  A——槽膛宽度的一半3900/2=1950mm

  S——浇铸时阴极钢棒,

  B——炭块宽度与炭缝之和,515+40=555mm,55.5cm;

  a——结壳厚度,取100mm;

  ——阳极电流密度,为0.733A/cm2。

  电流通过阴极炭块路径的长度按下式计算:

  (6-14)

  式中 H——阴极炭块高度(45cm);

  h和b——阴极钢棒的高度和宽度,在计算中取h=23cm,b=18cm,

  故

  (6-15)

  将选择与求得的值代入公式中,得到炭块槽底电压降:

  ∆V实=[25.93×4.5×10-3+(3.93×10-2×1952+2.87×100×3100) ×55.5/374] ×0.733=307.54mV (6-16)

  6.4.2 阴极软母线电压降

  阴极软母线长度取1000mm,截面,共38片,母线平均温度90℃,:

  ∆V阴软=0.0376×1000200×2×38×2400002×30=12.53mV (6-17)

  6.4.3 槽周阴极母线电压降

  槽周阴极母线有A侧母线和B侧母线

  A侧母线B侧母线中间母线根数4根2根中间母线截取长6000mm5000mm中间母线截面积600mm×200mm600mm×200mm端部母线根数2根2根端部母线取长7000mm2000mm端部母线截面积600mm×200mm600mm×200mm端部母线平均温度为90℃,,可计算母线电压降:

  ∆V1=0.0376×6000800×300×24000016=14.1Mv

  ∆V2=0.0376×7000800×300×2400008=32.9mV

  ∆V3=0.0376×5000800×300×240000×316=35.16mV

  ∆V4=0.0376×2000800×300×24000016=4.69mV

  因槽周阴极母线为并联形式,故槽周阴极母线电压降取其中最大值为: ∆V槽周=35.16mV

  6.4.4 焊点压降

  阴极钢棒-铝棒爆炸焊压降取3mV,铝棒与软母线焊点之间的压降取5mV。

  6.5 阳极效应分摊电压降

  阳极效应分摊的电压降按下式计算:

  (6-18)

  式中 ——阳极效应次数(次/槽·日),取0.08次/槽·日;

  ——阳极效应发生时的槽电压(V);

  ——平时的槽电压(V);

  t——阳极效应延续时间(min)取为5min。

  电压由4V升至40V,可计算出:

  ∆V效应=0.08×(40-4)×51440=0.01V=10 mV (6-19)

  6.6 连接母线压降

  槽外母线包括整流所到厂房的输电线、厂房间连接母线及槽间线等。槽外母线均摊电压根据实测取60mV。

  根据以上计算,可编制电解槽电压平衡表如表6-1所示。

  表6-1 槽电压平衡表

  部位电压组成电压降,mV发热电压,mV阳极部分阴极软母线13.89-立柱母线50.89-铝导杆35.38-卡具11-钢炭接点110110钢爪2424阳极344.3344.3铝-钢焊点10-阴极部分阴极软母线12.53-槽底压降307.54307.54槽周阴极母线35.16-阴极各接点8-电解质15501550

  续表6-1

  部位电压组成电压降/mV发热电压/mV分解电压15501550工作电压总计4062.69阳极效应1010连接母线60平均电压总计4132.69发热电压总计3895.84

  7.能量平衡

  电解槽的能量平衡是指电解槽单位时间内由外部供给的能量与电解槽本身在同种环境进行物质交换与能量交换过程中所消耗的能量之间的平衡。

  7.1 计算方法与基础条件

  (1) 计算方法

  所谓计算体系,即计算对象的边界范围。计算体系可以任意选择,但必须包括生产设备的基本部分,否则所进行的计算就失去了实际意义。一般有两种计算体系:第一种是以槽底----槽壳----槽罩为其外部边界:另一种是以槽底----槽面----阳极为其计算体系边界。

  (2) 计算基础条件

  温度基础:取25℃作为计算基础;

  时间:取1小时;

  体系:槽底----槽壳----槽罩;

  体系电压:V槽底+V电解质+V阳极+V铁碳+V钢爪+V实际分压+V效应=4069.84mV=4.06984V;

  开罩时间:8min/次;

  换阳极时间:6min/次;

  电流强度:240kA;

  阳极气体成分:CO2 75% CO 25%;

  电流效率:94%;

  排烟量:14400m3/h;

  7.2 能量平衡计算

  7.2.1 热量输入计算

  (1) 电能收入

  1瓦电1秒产生0.239Cal热,则每小时产生0.86kCal

  Q电=IV热=0.86×4.06984×240000=840014.976kCal/h (7-1)

  =3516302.69kJ/h

  (2) 阳极反应所得热

  每个电解槽每小时产铝量为:

  P=0.3356Iηt=0.3356×240000×0.94×10-3=75.71kg/槽·h (7-2)

  =2.804kmol/槽·h

  阳极气体中CO2占75% CO占25%,CO,CO2的生成量可按以下反应方程式计算:

  Al2O3+12/7C→2Al+9/7CO2+3/7CO

  则:

  nco2=2.804×9/72=1.8026 kmol/槽·h

  nco=2.804×3/72=0.6009 kmol/槽·h

  电解温度为940℃~950℃。此时查的CO2和CO的生成热分别为94.49kCal/mol和27.05kCal/mol。

  每个电解槽中:

  CO2的生成热为:94.49×1.8026×103=17.327.674kCal/h

  CO的生成热为: 27.05×0.6009×103=16254.345kCal/h

  则气体总生成热:

  Q气=170327.674+16254.345=170343.928kCal/h

  CO的燃烧热:

  CO在火炎部分燃烧,使体系内空气温度升高,一般可认为燃烧50%,

  CO+1/2O2=CO2

  25℃时1kmolCO燃烧生成CO2,燃烧热为67630kCal,

  则

  QCO→CO2=67630×0.6009×50%=20319.434kCal/h=85057.15kJ/h

  7.2.2 热量支出计算

  1. Al2O3反应热

  Al2O3(s)→ 2Al(l)+1.5O2(g)

  电解温度为950℃即1223K下查的Al2O3分解的自由能计算公式为:

  ΔFt=405760+3.75TlgT-92.22T

  可得Al2O3的分解热为:

  ΔFt=405760+3.75×1223×log1223-92.22×1223=292981.8kCal

  每槽1h可分解Al2O3 143kg,即143/102=1.402mol

  QAl2O3=1.402×292981.8=410748.99kCal/h=1719395.27kJ/h

  2. 气体带走的热

  电解槽气体流量:14600m3/h;

  排烟管烟气温度 :85℃;

  气体(空气、CO、CO2等)平均比热:Cp=0.3kCal/m3·℃

  Q气=Cp·V·Δt=0.3×14600×(85-25)=262800kCal/h=1100080.8kJ/h

  (7-3)

  3. 铝液带走的热量

  电解温度:950℃ 铝的熔点:660℃

  由物质的比热表可查得铝的熔化热:93kCal/kg

  由物质的比热表可查得铝的比热:

  298K~933K时 C0=4.96=0.00296T

  933K~1273K时 Cp=7.00kCal/mol

  则

  Q固=nAl298933C0dt=2.8042989334.96+0.00296TdT (7-4)

  =12075.41kCal/h

  Q熔=93.0×75.71=11735.298kCal/h

  Q固=nAl9331223C0dt=2.80493312237.00dT (7-5)

  =5692.12kCal/h

  所以QAl=Q固+Q熔+Q液=12072.41+7041.123+569.12=24808.653kCal/h

  =103849.02kJ/h

  (7-6)

  4. 残极带走的热

  由

  Al2O3+12/7C→2Al+9/7CO2+3/7CO

  知1mol氧化铝需12/7mol的碳,每块残极高度300mm,消耗250mm,

  故

  C残:C耗=300:250

  则残极的量为:

  C残=12/7×12nAl×1652×27×375=12/7×12×2.804×3002×27×250=1.2818mol (7-7)

  由于残极损失时表面温度为450℃,电解质温度为950℃,故残极换出温度约为:

  残极碳比热:Cp=4.01+1.02×10-3T-2.10×10-5T-2

  故残极碳带走热量为:

  Q残=n残1.2818298973(4.10+1.02×10-3T-2.10×10-5T-2)dT

  =3898.02kCal/h (7-8)

  残极上覆盖有10mm的氧化铝,平均温度为500℃,带走热量1000kCal/h

  残极总带走热量为:

  3898.02+1000=4898.02kCal/h=20503.11kJ/h

  5. 加热冰晶石、氟化铝

  熔化冰晶石、氟化铝、氟化镁等需22W/kg-Al,则一小时需:

  22×0.860×75.711=1432.45Cal/h=5996.24kJ/h

  6. 散热损失

  电解槽散热损失计算,采用传导计算法,在前人的基础上对角部采用分布场计算法,即槽底以下的面积采用几何平均面积,正对槽膛底的面积用等面积进行计算,角部用温度分布平均值进行计算。

  侧部:(由里向外)伸脚:平均厚度200mm;侧部炭块:125mm;钢壳:12mm底部:(由里向外)炭块:450mm;耐火砖:2×65+2mm;干式防渗料:65mm;保温砖:65mm。

  7能量平衡列表

  根据以上计算,可列出240kA电解槽的能量平衡表。

  表7-1 240kA铝电解槽能量平衡表

  8. 环境保护和安全生产

  8.1环境保护的重要性

  环境是人类赖以生存的重要组成元素,就是我们周围所感受到的影响我们生存和发展的世界[17-18]。现在国家的经济愈来愈好,但是我们的环境却因此收到了很大的伤害,环境污染和安全生产事故发生愈加频繁,在发展经济的同时,我们应该考虑到为我们后代留下资源和发展空间,提高人民生活质量,不破坏居民生活,创造一个和谐美丽的生态环境,环境是人类生存和发展的基本前提。环境为我们的生存和发展提供了必要的资源和条件。随着社会经济的发展,环境问题作为一个重要而无法回避的问题。保护环境,减少环境污染,遏制生态恶化的趋势,是我们的主要任务,因此在应对大气的污染,水污染的情况时,应该在实践当中采取强硬的态度面对,人类如果没有地球这个广阔的自然资源,人类是无法生存和繁衍的。所以,维护生态平衡,保护环境,人人有责。

  8.2 铝电解厂的污染物及其危害

  (1)气体污染:空气污染是过程中一些烟气灰尘的不达标排放。空气污染的污染物一般有烟气、SO2、灰尘和氟的化合物等污染物。如果这些污染物不能很好的处理,排放在空气中,降低空气指数,会影响人们的呼吸,给人体健康造成很不好的影响。

  (2)沥青烟:这主要是由供料系统、煅烧段排水系统、捏合机,产生在以下两个方面预热螺旋机,一个是蒽光敏剂沥青的存在,会造成皮肤病;另一方面是沥青具有一定的伤害皮肤和粘膜作用,具有中等伤害。

  (3)二氧化硫的危害:SO2是一种有毒的气体,属于轻微伤害类。释放在空气里会伤害人的眼睛,导致眼睛发炎,甚至是引起肺水肿,声带受损,喑喉炎等影响。

  8.3 铝电解的环境保护

  随着我国技术的开展,铝产量是逐渐提高的,当然,这也推动了整个世界电解铝的发展。但是,由于我国现阶段技术缺乏,还是有很多污染问题。电解铝生产污染问题的成因应科学、有效地处理。在保证产量的同时,我们也要响应国家号召,建设美好家园,不破坏我们赖以生存的环境。

  电解铝厂调整污染的办法:采取一系列环保措施净化整个生产系统,用风机把废的烟气收集起来,不胡乱排放,吸尘器气体固体是分开的,使烟气同时具有更好的净化,也使FH除尘。当前,这项技术还比较成熟,可以达到排放的标准。

  结 论

  本次设计选用了240KA电流强度的电解槽,其中电流效率为94%,阳极效应系数为0.08次/槽*日,极距为4cm,阳极电流密度为0.76 A/cm2,电解质温度为950℃。

  阳极尺寸为1550mm×660mm×550mm,阳极炭块数为32块,槽膛长度为12060mm,槽膛宽度为3900mm, 槽膛深度为550mm,阳极导杆规格为130mm×130mm×2278mm,阴极炭块设计规格为3250mm×515mm×450mm,槽壳宽度为4274mm, 槽壳长度为12434mm,槽壳深度为1444mm;阳极软母线取192片,阴极软母线取38根。

  物料平衡中,收入与支出相等,氧化铝的能量收入最高,CO2能量支出最大,各项收入支出所占比例之和为一百;电压平衡中,工作电压总的为3860.59mV,平均电压为3930.59 mV,发热电压总计3652.24 mV;能量平衡中,能量总收入为4314095.94KJ/h,其他损失为37883.19KJ/h,占比0.89%剩余的为其他6个方面的损失,总计4276212.76KJ/h,占比99.11%。

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